1前言

　　大型水輪機轉輪葉片的五軸聯動數控加工技術，是表征水輪機制造達到當今世界先進水平的重要標志之一。轉輪葉片是水輪機的關鍵部件，其制造質量對機組的效率等水力性能有直接的影響。葉片的數控加工涉及多方面的高新工藝技術，國內只有哈爾濱電機廠和東方電機廠經多年探索、引進技術和研究開發，掌握了這項技術，國外也僅有法國ALSTOM、挪威GE、加拿大GE、德國VOITH、日本日立公司等對此項制造工藝掌握得比較好。由于對水輪機制造質量的要求越來越高，所以葉片的數控加工成為對機組訂貨的關鍵技術要求。特別是作為當今國際混流式水輪機單機容量最大的、世界矚目的三峽水輪機，對轉輪葉片數控加工提出了更高的要求，可以說葉片數控加工對提高我國電站設備制造水平，邁人世界先進技術行列意義重大。

2 葉片加工現狀

　　水輪機有混流式、軸流式、貫流式等幾種，國內水輪機葉片制造長期采用砂型鑄造，經手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測的工藝方法，近年來發展了葉片模壓成型后鏟磨、模壓成型后再加工和鑄造成型后數控加工技術。手工鏟磨的方式，不但勞動環境惡劣，勞動強度大，效率低，而且葉片型面質量差，降低了水輪機的效率。哈爾濱電機廠有限責任公司較早開始對數控加工葉片的編程、裝夾、加工、刀具和測量等方面進行研究，并于1996年引進了大型數控龍門銑床和相應的CAD/CAM軟件。采用五軸聯動數控加工技術，至今已完成了天生橋電站、柘林電站、新豐江電站混流式水輪機葉片和木京電站軸流式水輪機葉片的數控加工，并為三峽水輪機葉片的加工打下良好的基礎。

3 關鍵技術和工藝實施

　　3.1 葉片數控加工工藝流程

　　葉片數控加工工藝流程見附圖。

　　3.2五軸聯動數控編程技術

　　葉片型面測量

　　由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測量機進行毛坯的三維型面測量，選擇高效、便于計算機數據采集處理租基準變換的測量方法，達到余量均布的最佳裝夾位置。

　　曲面造型

　　根據原始數據造出葉片的三維型面，滿足下一步生成數控加工的代碼程序需求。

　　刀位軌跡計算

　　根據讀入葉片造型后的三維型面數據，設定加工型面、切削參量和刀具數據，進行刀位軌跡計算。

　　刀位軌跡仿真和刀具干涉檢查

　　根據刀位軌跡在計算機上對圖形進行模擬加工，并檢查刀具干涉情況，保證真機加工時安全運行。

　　后置處理

　　對刀位軌跡進行后置處理，生成特定機床的NC代碼加工程序。

　　3.3加工工藝過程

　　加工設備

　　為實施葉片加工，購進德國瓦德利希·柯寶公司生產的PMC5500AG數控龍門銑床。機床主機功率100kW，工作臺尺寸4.5m×13m，配置了目前世界上功率最大的五軸數控萬能銑頭，采用SIEMENSS 840C數控系統，并引進了CAMAND軟件，提供了數控加工葉片的設備條件。

　　毛胚質量的控制

　　葉片為鑄造結構，材料為0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼。將葉片進行粗磨，去除夾砂，避免損害刀具，再進行UT、MT探傷，檢查缺陷狀況。

　　由于葉片鑄造質量不好及余量不均，要求對葉片正、背面加工余量、周邊余量進行控制，減少數控加工的工時。用經緯儀測量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標志測量和加工找正用的3個定位基準點及其坐標值，并將測量數據用磁盤的形式傳給下序。

　　葉片裝夾

　　葉片外形不規則，尤其混流式轉輪的葉片是沒有任何基準的自由曲面，其裝夾方式的研究是實施編程、加工首先要解決的問題。德國VOITH公司對軸流式轉輪葉片采用軸外徑和法蘭定位、立式裝夾方式，混流式葉片采用可調轉向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預處理，另外系統部件占據面積大。在數控龍門銑驗收葉片加工工藝準備中，采用正、背面胎具定位、搭焊塊搭焊和螺釘把臺的夾緊方式，具有經濟、高效、操作簡便的特點，挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對確定工件參考點，實施找正，防止葉片正、背型面錯位影響重大。

葉片的找正、測量

　　用數控機床銑軸測量裝在胎具上的葉片3個定位基準點的坐標值，并在胎具上設定參照點進行找正。采用RENISHAW測量系統，開發應用于三維曲面的葉片測量，為加工后的葉型檢測提供了先進的技術。

　　工件的編程

　　應用前述編程技術，編制加工葉片正、背面，進、出水邊，上冠、下環坡口的程序。

　　葉片的加工

　　葉片加工部位為正、背型面、進出水邊和上下焊接坡口。使用的刀具為粗、精面銑刀、螺旋立銑刀、球頭銑刀、插銑刀等，

　　采用順銑加冷卻液的銑削加工方式。進給方向選擇沿葉片造型的參數線，對刀具直徑和干涉要求等銑削性能有利。

　　銑削寬度的確定和表面加工質量與加工效率互為影響，由于銑刀在法向矢量方向傾斜加工，加工后工件表面呈微凹弧形，每刀銑削寬度愈大，銑削殘留的波峰、波谷的絕對值愈大，下序拋光工作量也就愈大。因此需合理確定每條程序段運行排刀的寬度。

　　3.4高效數控刀具的開發應用

　　葉片數控加工成本昂貴，以柘林電站水輪機葉片加工為例．每個葉片展開面積約10m2，需加工5天，機組共有13個葉片，整臺份加工周期兩個月以上，數控龍門銑床工時費每小時約千元，則加工費上百萬元。可見提高加工效率、降低加工成本的意義特別重大，研究和采用高效數控刀具及加工方法，是需要解決的關鍵技術之一。

　　開發國產面銑刀

　　為適應不銹鋼材料葉片的加工，采用平裝刀片結構，上壓式夾緊，主偏角75。和雙正前角的刀體設計新結構。經與國內工具廠家合作研制成功，并形成系列。改善了不銹鋼韌性大，不易斷屑、排屑的狀況，改變了雙負前角面銑刀、不同主偏角刀片與刀體混用的不合理銑削狀況。

　　試驗優選銑刀片

　　解決不銹鋼難加工的問題，刀具性能的關鍵是刀片的性能，國產刀片與國外有相當大的差距。國外通過改變材料成分、采用超細晶粒、開發刀片涂層技術、研制刀片槽型等，使硬質合金刀片的硬度與韌性得到相當大的改善，刀具耐用度可達國產刀具的十幾倍。經對國內株洲、自貢、上海、陜西等硬質合金制造廠家的YS25、YT535、YG532、YG546、YG726、YG813、M2、P25、SC30等牌號刀片，以及對國外如瑞典山特維克4030和235、德國瓦爾特WTA51和WTL71、美國肯納K68、以色列依斯卡IC328、日立CY250和HC844、三菱UP20M和F620等刀片進行大量的試驗，優選了高耐用度、高效率的刀片，滿足了葉片正常銑削的要求。

　　研制開發新型面銑刀

　　為解決由于葉型加工余量不一、粗銑空行程的現象，與哈爾濱理工大學和國內工具廠合作，研制了雙層刀片階梯刀齒結構的面銑刀，實現倍量切深。

　　采用插銑加工技術

　　試驗并購入國外新型插銑刀，采用最新的插銑加工方式，提高進出水邊的銑削效率。

　　螺旋立銑刀配置

　　國產螺旋立銑刀刀片影響切削效率，優選國外刀片型號、牌號，配置到國產刀體上，提高周邊加工效率。

　　優選銑削參量

　　切削線速度的選擇對不銹鋼葉片材料的加工影響較大，大切深、大進給、高速銑削無疑有利于提高加工效率，但受刀具壽命、機床、裝夾等條件限制，需進行銑削參量的優選。

4 結論

　　天生橋、柘林、新豐江電站水輪機混流式葉片加工成功，標志著哈爾濱電機廠有限責任公司五軸聯動數控加工葉片工藝已達到國際先進水平。葉片數控加工工藝技術的創新，對提高加工質量、加工效率和降低工具費用經濟效益顯著。以三峽水輪機為例，葉片型面單面展開面積約20m2，每臺15個葉片，每件毛重23t，加工周期預計5～6個月。若工藝、刀具改進，提高效率20%，可節約工時、刀具費用上百萬元。葉片數控加工使轉輪出力效率每提高1個百分點，都將帶來巨大的經濟效益。